深海里的“绝食冠军”来啦中国科学报

在终年无光、资源极度匮乏的海面之下，生活着一种被称为“深海绝食冠军”的奇特甲壳动物——深海水虱。2014年，日本一项关于深海水虱在人工饲养下绝食5年多依然存活的报道，震惊了全世界。

詹姆斯深水虱（Bathynomus jamesi）和道氏深水虱

然而，这还不是它最令人费解的地方。生物学界有一条著名的“伯格曼法则”：极端环境下的生物，体型往往会随着海洋深度的增加而变得巨大。深海水虱恰恰符合这一规律——它的身体可以长到几十厘米，是浅海近亲的几十倍，堪称深海“巨无霸”。

但悖论也由此而生：在贫瘠得几乎没有什么食物的深海里，如此庞大的体型意味着高昂的能量消耗，可它偏偏又能绝食五年不死。极度耐饿和巨大体型，这对矛盾就像一个人一边拼命节食、一边维持高强度增肌一样令人费解。科学家们将这个看似不可调和的矛盾，称为“能量悖论”。

詹姆斯深水虱

历时数年，中国科学院海洋研究所研究员李富花、袁剑波等，联合西北工业大学、首都医科大学、香港中文大学，依托我国“深海勇士号”载人潜水器获取的珍贵样本，通过多层次组学联合分析与严谨的功能实验，终于解开了这一困扰科学界多年的生命谜团。

他们不仅发现了赋予深海水虱超强耐饥能力的关键外源基因，更首次提出了“水平基因转移+表观遗传转录优化”的全新进化策略，改写了人类对高等动物适应极端环境机制的传统认知。成果于6月5日发表于《细胞》。

国际专家评价称，这是一项极具吸引力且具有重要科学意义的突破性研究，解决了一个引人注目的生物学问题。该发现既新颖又有重大影响力。

团队正在进行实验

海底捞针：海量数据中锁定神秘基因“ND1”

故事的起点，要追溯到2019年。

当时，中国科学院海洋研究所研究员李新正随“深海勇士号”出海深潜，在海面下898米的极端环境中，成功采集到了詹姆斯深水虱的珍贵标本。这批跨越千里的冻存样本被带回实验室后，便成了袁剑波重点攻关的研究对象。

“面对庞大的基因数据，最难啃的‘第一块骨头'就是如何进行深度的数据挖掘。”袁剑波对《中国科学报》坦言。

研究之初，他们将攻关方向主要集中在宿主自身的基因组特征以及肠道共生微生物的相互作用上。2022年，团队顺利完成了詹姆斯深水虱的基因组测序，并发表了国际上首个深海甲壳动物基因组的成果报道，初步解答了其体型巨大化与环境适应性的联系。

但这仅仅是一个“小故事”的开端。

在完成常规的宏基因组测序工作后，凭借多年积累的职业敏感性，袁剑波敏锐地察觉到深海水虱与其胃部微生物之间有着超乎寻常的密切联系。

他们做出了一个大胆且非主流的决策：对深海水虱基因组中所有的“水平基因转移”事件进行系统性筛查。

“常规的基因组研究极少会专门去研究这个问题，因为科学界普遍认为，外源引入的基因很难在宿主体内发挥决定性作用。”团队成员、海洋研究所研究员张晓军解释。

然而，数据分析的结果却让整个课题组兴奋不已。

在詹姆斯深水虱注释出的23000多个基因中，有一个源自外来的共生细菌、被命名为“ND1”的外源基因，呈现出了极其反常的特征。这个基因不仅在漫长的演化中实现了拷贝数的加倍，而且其转录表达量在所有基因中“一骑绝尘”，高居榜首！

一个从外源“借来”的基因，竟然跨越了宿主的遗传结构限制，被深海水虱用到极致。关键因子“ND1”的发现，如同一颗炸弹，彻底为这尊深海“外星生物”的节能机制研究打开了突破口。

李富花（中）在带着团队讨论

寻找“永恒胃”的幕后推手

找到了关键基因，但它是如何被调控并实现超高表达的？深海水虱的身体内部又隐藏着怎样的秘密？

为了进一步寻找证据，团队将898米深的詹姆斯深水虱，与生活在300米海区、体型较小的近缘物种“道氏深水虱”，进行了精细的形态学与宏基因组对比解剖。

解剖结果令人震惊：詹姆斯深水虱那憨憨墩墩、外壳坚硬的身体里，却塞着一个几乎占据了整个身体三分之二容积的巨大胃部。这个庞大的器官里填满了食物——哪怕将深海水虱在实验室养殖两三个星期，不进行任何投喂，它依然在正常排便，解剖后胃部依然鼓鼓囊囊、满满当当。

“吃一顿，撑几年。”袁剑波笑着说，“这种‘开源节流’的策略，正是它们应对饥饿的第一重法宝。”

在胃部微生态的分析中，团队发现了更精妙的共生协作。

相比于浅海物种，詹姆斯深水虱胃部与碳水化合物代谢相关的常规消化菌群显著收缩，取而代之的是特异性富集的一种衣原体。提到衣原体，人们通常会想到它是致病菌——事实上，它在人体中的确会引起疾病。但这种细菌在深海水虱体内不仅不致病，反而能帮助宿主将能量以脂肪的形式存储起来，形成围绕体腔一圈的特殊器官——“脂肪体”。就像骆驼的驼峰一样，为深海水虱打造了一个极致的储能中心。

最神奇的科学发现，在于表观遗传层面的“精准操控”。

团队在分析数据时注意到，共生细菌在深海水虱胃部特异性富集了大量的组蛋白乙酰化基因，而宿主深海水虱自身的组蛋白修饰系统也呈现出显著的扩张特征。通过精准的组蛋白乙酰化修饰测序，袁剑波终于找到了调控“ND1”基因超高表达的关键调控机制。

实验证实：詹姆斯深水虱体内多出来的3个“ND1”基因的启动子区，均精准地出现了两个显著的组蛋白乙酰化修饰峰，而这些修饰在提供能量的线粒体“氧化磷酸化”通路上实现了特异性富集。相比之下，浅海的道氏深水虱由于生存环境的能量压力较弱，其低表达的同源基因上游就没有这种修饰峰。

这就构成了一条较为完整的证据链：深海水虱通过这种独特的节能修饰模式，精准调控氧化磷酸化通路上的靶基因。